第五讲海洋模式中的参数化过程

洋流模型一洋流模型的参数定义将一系列具有潮汐成分频率的正、余弦函数作为时间基函数。

并用y来表示洋流在东西和南北方向上的速度。

得到洋流速度模型如下:（1.1）其中，N为所研究的海域中的成分的个数，x为节点的位置，表示在观察时间段内洋流速度的平均值。

和,是与节点位置相关的函数。

高斯径向函数（RBF）被用作此处的空间基函数（原因：径向基函数在内插、近似数据时比多项式函数的误差更小，同时，高斯径向函数在近似数据的准确度和平滑度之间比其他的径向函数要好。

）：（1.2）（1.3）（1.4）（1.5）其中M表示洋流模型中的径向基函数个数，表示径向基函数中的中心，表示径向基函数的宽度，是高斯径向基函数的系数。

由于和都是关于水下节点的位置函数，所以它们的高斯径向基函数的中心和宽度都是相同的。

将公式(1.2), (1.3), (1.4), (1.5)带入公式(1.1)中，则y(x, t)可表示为:（1.6）（1.7）洋流模型的输入为节点的位置，输出为该位置的洋流速度在t时的估计。

其中径向基函数的宽度是己知的，但有不同的中心。

二洋流模型参数选择1，步骤（1）选择现有洋流模型的n个网格点。

径向基函数的数量M应该小于n；（2）K-mean簇方法来计算径向基函数的中心点位置；K-mean簇方法把原始数据分成M个互相分离的子集，每个子集有个数据点，K-mean簇方法是想找到一种分割方法，最小；（3）选用和输入再同一数量级上的数作为径向基函数的宽度；（4）有了时间和空间基函数以及在一串时间序列上的网格点上的洋流数据，接下来用最小二乘法计算公式（1.7）中的参数，产生最初的洋流模型。

通过时间基函数和空间基函数以及相应参数，可以很好的表现洋流的真实速度，如果这些参数没有随时的更新，洋流估计会产生一定的偏差。

通过这个洋流模型，我们可以预测洋流在未来一个小段时间内节点附近海域的速度。

图2-1 通过时间基函数和空间基函数重建的洋流速度图中实线是洋流速度的真实值，点画线是通过时间基函数，空间基函数以及它们相应的参数构建出来的洋流的速度。

海洋要素计算与预报 (1)第一部分数据预处理与统计分析方法 .............................................................. 1第一章数据预处理 ...................................................................................... 1一、数据质量控制 (1)1、异常数据的认定和排除 (1)2、数据系统性偏差的检查和修正 .............................................. 1二、不规则空间分布数据网格化 .. (1)1、数学插值法 (1)2、网格统计法 .............................................................................. 2三、要素统计特征 .. (3)1、要素数据标示 (3)2、均值与距平 (3)3、平均差 (3)4、方差 (3)5、协方差与相关系数 (3)6、自协方差与自相关系数 (3)7、落后协方差与相关系数 (4)8、经验分布 .................................................................................. 4第二章谱分析 (5)一、 Fourier 变换与谱分析 . (5)二、功率谱估计 (6)三、交叉谱分析 .................................................................................... 7第三章经验模态分解 . (8)一、前言 (8)二、 EMD 计算方法与 IMF 分量 (9)三、 EMD 方法中存在的问题 . ........................................................... 11 1、 EMD 方法在处理间歇信号时的不可分问题和产生的模态混合问题 .................................................................................................. 11 2、 EMD 分解方法的边界问题 . ................................................. 15四、应用实例 (17)1、 SST 资料处理 . (17)2、海平面数据处理 .................................................................... 17第四章回归分析 ........................................................................................ 18一、一元线性回归 (19)1、一元线性回归模型 (19)2、一元线性回归的方差分析 (19)3、回归方程的显著性检验 (20)4、预报值的置信区间 ................................................................ 20二、多元线性回归 (21)1、多元线性回归模型 (21)2、回归方程显著性检验 (22)3、预报值的置信区间 ................................................................ 22三、非线性回归 . (23)1、曲线函数线性化 (23)2、多项式回归 ............................................................................ 23第五章经验正交函数分解 ........................................................................ 23一、主成分的定义 (24)1、两个变量的主成分定义 (24)2、多变量的主成分定义 (25)二、主成分的导出 (26)三、主成分的性质 (27)四、主成分的计算 (28)五、经验正交函数分解 (EOF (28)六、时空转换 ...................................................................................... 29第六章最小二乘法潮汐调和分析与潮汐特征值 (30)一、分潮与潮汐调和常数 (30)二、最小二乘法潮汐调和分析方法 (32)1、任意时间间隔观测序列的方程组导出 (32)2、等时间间隔观测序列的方程组系数 (34)3、 Fourier 系数的计算 . (35)4、天文变量与调和常数计算 (36)三、潮流调和常数与潮流椭圆要素 (42)四、潮汐性质与潮汐特征值 (43)1、潮汐性质 (43)2、潮汐特征值 (43)3、平均海面、平均海平面与陆地高程,海图深度基准面与海图水深 .................................................................................................. 45 (4海图深度基准面与海图水深 ............................................ 45第七章海浪数据分析 (48)一、去倾向和去均值处理 (48)二、从波面高度序列中读取海浪的波高和周期 .............................. 48 1、跨零点波高、周期定义 .. (48)2、极值点波高、周期定义 ........................................................ 49三、波面高度分布、波高和周期的分布,波高和周期的联合分布 (49)1、波面高度分布 (49)2、波高和周期的分布 (50)四、各种波高计算 (51)五、海浪谱估计 (52)1、海浪谱估计方法 (52)2、谱矩的计算 (52)3、谱的零阶矩与各种波高的关系 (52)4、海浪谱的谱宽度计算 (52)5、谱峰频率与周期的关系 ........................................................ 53第二部分海洋数值预报 .................................................... 错误!未定义书签。

第24卷第4期海　岸　工　程2005年12月文章编号:100223682(2005)0420083217海洋科学中的数据同化方法——意义、结构与发展现状马寨璞1,井爱芹1,2(1.河北大学生命科学学院,河北保定071002;2.河北省基因工程技术应用中试基地,河北保定071002)摘要:卫星观测数据的同化技术已成为海洋动力学研究的一个有效手段。

详细讨论了数据同化方法的意义、系统结构及其发展近况,并总结了海洋科学研究中的应用及发展状况。

关键词:数据同化;意义;系统结构;发展现状中图分类号:T P274,V557+.3 文献标识码:A1　意　义海洋动力学研究有两种方式,一种是使用数值模型进行研究,另一种是对海洋进行直接观测。

数值模型常根据所研究的流场尺度特征来简化方程本身,并在离散方程时对参数作出进一步的简化。

因此,数值模型的结果是近似地反映海洋流场的规律。

直接观测得到的数据,虽然是对海洋流场进行真实观测,但由于观测设备的局限和观测点物理量的随机变动,观测结果具有不可避免的系统误差与随机误差。

两种方式获得的数据具有各自的优、缺点。

数据同化的主要目的是将观测数据与理论模型结果相结合,吸收两者的优点,以期得到更接近实际的结果。

目前,对海洋动力学的研究工作早已进入了卫星时代,占全球表面70%的海洋可通过卫星获取各种观测数据。

随着卫星遥感数据的大量获取,出现了一些重要的问题,如何使用这些数据、这些数据结果和一般的数值模型的结果如何结合起来和结合两者的理论基础是什么等问题都与社会发展和海洋科技发展紧密相关,研究这些问题将会促进海洋事业的巨大发展,具有极其重要的意义。

就数据同化在海洋上的应用而言,总的来说,包括3个方面的内容:一是改进次尺收稿日期:2005205227资助项目:河北大学生物工程重点学科资助作者简介:马寨璞(19702),男,副教授,主要从事物理海洋数据同化研究。

(杜素兰　编辑)48海　岸　工　程第4期度过程、边界条件等模型的参数化,二是进行客观分析并实现海洋流动的四维化,三是改进模式的初始条件、边界条件并进行预测。

海洋再分析核心技术要素及发展趋势分析吴新荣;晁国芳;刘克修【摘要】简述了海洋再分析的关键三要素,即观测资料、数值模式和资料同化,介绍了海洋再分析的系统集成、产品制作和检验,以及产品解释应用,分析了海洋再分析的国内外发展现状和趋势.【期刊名称】《海洋信息》【年(卷),期】2018(033)003【总页数】5页(P14-18)【关键词】海洋再分析;资料同化;数值模式;并行化;高性能计算【作者】吴新荣;晁国芳;刘克修【作者单位】国家海洋信息中心天津300171;国家海洋信息中心天津300171;国家海洋信息中心天津300171【正文语种】中文【中图分类】P731海洋再分析利用数据同化技术将历史海洋观测资料与动力模式相结合，再现过去海洋状态场的变化，与海洋预报/预测紧密关联，是国际业务化海洋学的前沿领域。

世界海洋强国在海洋再分析研究领域起步早、规模大，尤其是美国海军研制了全球及区域高分辨率海洋再分析产品，广泛应用于海洋环境安全保障、海洋科学和气候变化研究等领域，产生了较大的军事和社会效益。

从本质上说，海洋再分析主要包括3个关键要素，即观测资料、海洋模式和资料同化。

然而，随着人们对海洋再分析产品时空分辨率和精度要求的日益提高，再分析产品的研制对高性能计算机的需求越来越迫切。

因此，海洋再分析涉及到多学科的交叉，包括物理海洋、计算数学、计算机科学、统计学、气象学等，是一个庞大且复杂的过程。

本文首先介绍海洋再分析的关键三要素，其次对海洋再分析的系统集成、产品制作和检验、解释应用以及国内外发展现状及趋势进行了阐述。

1 海洋再分析关键三要素1.1 观测资料高质量的海洋观测资料是海洋再分析的基础，为了得到高精度的海洋再分析产品，首先需要广泛全面地收集海洋观测资料，要素主要包括温度和盐度。

其次，针对每种类型的观测资料采用特有的质量控制方法，并对所有观测资料进行合并排重和人机交互审核，最终形成海洋再分析所需的基础观测资料集。

热盐环流与气候变化1 引言气候指一个地区天气的多年平均状况，主要的气候要素包括光照、气温和降水等，反映了这个地区冷暖干湿等基本特征。

我国的主要气候类型包括热带、亚热带、温带季风气候，温带大陆性气候，高山高原气候等，我国主要气候带分区（如图1-1所示）。

同时气候变化是当今对人类影响最大的事件之一。

候变化主要表现在全球气候变暖、酸雨、臭氧层破坏等方面，其中气候变暖是目前最受关注的问题。

气候变化对我们的影响包括冰川消融，高温、干旱、暴雨等极端事件增多，导致粮食减产，海平面上升，物种的灭绝等等。

图1-1 中国气候类型分布海洋覆盖了地球约71%，是世界天气和气候的主要驱动力。

同时，海洋也是全球经济的主要推动力，承载着世界上90%以上的贸易，并维持着40%生活在海岸线100公里以内的人类的生存。

当今气候变化的影响在日益扩大，使得海洋观测、研究和服务比以往任何时候都更加重要。

第一，海洋是能量储存器。

因为海洋太大了，海洋覆盖了地球表面积的71%；海水太多了，占全球水资源的97%；而水相对于空气和陆地来说储热能量更强，全球变暖能量的93%都存储在海洋中。

还有，海洋还吸收了三分之一的新增温室气体排放量，所以海洋对稳定和调节全球气候具有决定性作用。

第二，海洋是能量转换器。

刚才提到了海洋储存了那么多能量，那么海洋储存的能量是如何与大气交换的呢？海洋－大气之间的热交换主要由三种方式。

一是辐射热，也就是长波辐射。

二是传导热，也叫感热，也就是接触的物体之间传导热量。

这两个热交换方式比较好理解，例如我们进入有暖气的房间，不触碰暖气片也会感受到温暖，这是辐射热，如果用手摸暖气片同样会感受热量，这就是传导热。

三是相变热，又叫潜热，当海水蒸发时需要吸收热量变成水蒸气，水蒸气上升到空中再次凝结的时候要释放热量给大气，这样在完成水循环的过程的同时也完成了相变热的传递。

第三，海洋是能量输送器。

由于海洋吸收了抵达地球的大部分太阳能，而赤道部分接收热量要远远多于两极，所以就形成了巨大的水平和垂直洋流，一些洋流可以携带热量向高纬度行进数千公里，一路走一路散热，对沿途气候产生巨大影响。

参数化设计和帆船游艇的优化斯特凡·哈里斯12克劳斯阿布特3 41998年11月20日本文在马里兰州安纳波利斯14号切萨皮克帆船游艇研讨会将提交，美国;29-301999年1月摘要对于几何造型的一个新的灵活的方法船体的形式呈现。

相关方法是B样条的参数化设计曲线和曲面。

重要形式参数，如位移，浮心，水线面面积等中心被用作高层次的描述的预定形状。

而不是交互操纵的B-样条曲线的顶点，生成过程被视为一个约束优化其中公平性的措施为目标应用的问题功能，顶点将被视为设计变量和表单参数被保留作为平等约束- 使得该方法在B样条建模。

新的设计方法进行了讨论，并数学原理进行了概述。

例子是证明了该参数的适用性方法。

它们包括一个33英尺设计IMS的游艇专注于裸船体无舵和龙骨。

引言在计算机辅助船体设计（CASHD）和特别是在游艇设计船体的建模几何仍然是一个微妙的承诺，依靠经验和精湛工艺的一致好评。

中可用数学表示的B样条是优秀的，因为它们许多有利像局部形状控制，凸包的功能根据坐标系统属性和不变性转型。

形状与轴平行的部分和表面th在被弯曲在各个方向上---在造船经常遇到的问题- 可以轻松容纳。

因此，艺术造型系统中的大部分国家支持B样条技术，并且有几个甚至是建立在它完全。

原产于自由形式的设计，底层大多数游艇设计系统的方法是基于交互式形状生成其中点- 例如B样条的限定的顶点多边形或多面体- 被定位在三维空间，例如见（Rogers和萨特菲尔德，1980）和（填隙等人，1989）。

这必须在一个高度一致的方式进行。

实现期望的形式通常是不平凡的任务因为结果必须适当而公平具体限制，如位移，中心浮力等必须得到满足。

然后手动顶点操作变得相当繁琐。

一旦完成后，修改的几何形状，以适应变化的要求或改善的形状水动力性能的好处是耗时因为手册的非生产性任务整流罩通常花费占主导地位的工作。

当模拟复杂几何形状的表面在设计过程中被频繁再分成铺设了一套横截面曲线（莱彻，1981），并随后产生的表面由放样或蒙皮，后者导致装置B样条曲面表示（伍德沃德，1986和1988年），见下文深入的讨论。

海洋水文动力学的研究进展海洋，占据了地球表面约 71%的面积，是地球上最为广阔和神秘的领域之一。

海洋水文动力学作为研究海洋中各种物理过程和现象的学科，对于我们理解海洋的运行机制、气候变化、生态系统以及人类活动对海洋的影响等方面都具有至关重要的意义。

近年来，随着观测技术的不断进步、数值模拟方法的日益完善以及跨学科研究的深入开展，海洋水文动力学取得了一系列显著的研究进展。

在观测技术方面，各种先进的仪器和设备使得我们能够更加精确和全面地获取海洋中的物理参数。

卫星遥感技术的应用为我们提供了大范围、长时间序列的海洋表面信息，如海面温度、海流速度、海浪高度等。

通过卫星高度计，我们可以测量全球海平面的变化，从而深入了解海洋的热容量和环流模式。

此外，声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、温盐深测量仪（CTD）等现场观测仪器的精度和分辨率不断提高，使我们能够获取海洋内部更加详细的三维结构和动态变化。

这些观测数据为海洋水文动力学的研究提供了坚实的基础。

数值模拟是海洋水文动力学研究的重要手段之一。

随着计算机性能的不断提升，数值模式的分辨率和复杂度也在不断增加。

全球海洋环流模式（OGCM）能够模拟海洋中的大尺度环流系统，如赤道流、湾流等，以及它们与气候系统的相互作用。

区域海洋模式则可以针对特定的海域进行更加精细的模拟，例如沿海地区的上升流、河口的盐水入侵等。

同时，耦合模式的发展将海洋、大气、海冰等多个系统综合考虑，为研究气候变化背景下的海洋响应提供了更全面的视角。

在数值模拟中，参数化方案的改进也是一个关键问题。

例如，对于海洋中的混合过程、涡旋的作用等，如何更加准确地进行参数化，以提高模拟结果的可靠性，一直是研究的热点和难点。

海洋中的中尺度涡旋是近年来研究的重点之一。

中尺度涡旋是一种直径在几十到几百千米之间的海洋涡旋，它们在海洋中广泛存在，并且对海洋的物质和能量输送、生态系统等有着重要的影响。

研究发现，中尺度涡旋不仅能够改变海流的路径和速度，还能够影响海洋中的温度、盐度分布以及营养盐的输送。

海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究引言：海上气候是地球气候系统的重要组成部分。

其中，海上大气边界层的形成和演变对海洋风暴、海气相互作用和海洋资源的利用等有重要影响。

通过对海上大气边界层模式的研究，可以更好地了解其物理过程，并进行相关数值模拟，为海上气候变化、气象灾害预测和海洋资源开发等提供科学依据。

一、海上大气边界层模式的物理过程1. 大气边界层的定义大气边界层是地球表面与上层自由大气之间的过渡区域，其中发生的物理过程对气候和天气的变化具有重要影响。

2. 海上大气边界层的特点相比陆地上的大气边界层，海洋表面具有特殊的动力特性，如湍流的活跃度、水汽的释放和吸收等特点，在大气边界层模式中需要考虑海洋的影响。

3. 海上大气边界层的形成机制海洋表面温度和海洋表面粗糙度是海上大气边界层的主要形成机制。

海洋表面温度差异引起的大气运动和湍流是大气边界层形成的关键过程。

4. 海上大气边界层的演化过程海上大气边界层的演化受到气压梯度、温度和湿度差异等因素的影响。

随着时间推移，大气边界层的高度和其内部的湍流强度会发生变化。

二、海上大气边界层模式的数值模拟研究1. 数值模拟的意义通过数值模拟海上大气边界层的物理过程，可以更好地理解海气相互作用、气候变化和气象灾害的发生机制，并为预测和应对这些气候现象提供科学依据。

2. 基本原理海上大气边界层模式的数值模拟基于流体力学和热力学等物理原理，采用数学方程组对边界层内的运动、湍流和传输等过程进行描述和计算。

3. 模型的建立海上大气边界层模式的建立需要考虑海洋表面温度和粗糙度的影响，以及海气的相互作用等因素。

同时，还需要考虑数值计算的精确性和计算效率。

4. 数值模拟结果分析通过对数值模拟结果的分析，可以得到海上大气边界层的空间变化规律、时间演化趋势和气候特征等信息。

这些信息对海上气象和气候研究以及相关灾害预测和资源利用具有重要参考价值。